Catalytic promiscuity of 4-oxalocrotonate tautomerase: discovery and characterization of C-C bond-forming activities

Het verschijnsel katalytische promiscuïteit, waarin een enzym naast zijn natuurlijke activiteit een alternatieve reactie (of reacties) katalyseert, is een krachtig, recent opgekomen concept, dat erg relevant is voor het ontwerpen van nieuwe enzymen. Enzym promiscuïteit is een veelbelovende bron van synthetisch relevante katalytische transformaties. De uitdaging is om gebruik te maken van de kennis van reactiemechanismes om nieuwe promiscue reacties te ontdekken en vervolgens deze promiscuïteit in te zetten voor het creëren van op maat gemaakte biokatalysatoren. Het enzym 4-oxalocrotonaat tautomerase (4-OT) katalyseert tautomerisatie reacties en gebruikt daarbij een uniek N-terminaal proline residue (pKa~6.4) als katalytische base. Ellen Zandvoort heeft, geïnspireerd door het succes van L-proline in de organokatalyse van C-C bindingvormende reacties, onderzocht of het proline-gebaseerde enzym 4-OT in staat is om onnatuurlijke C-C bindingvormende reacties te katalyseren. Er werd gevonden dat 4-OT katalytisch promiscue is en C-C bindingvorming katalyseert in verschillende aldol (condensatie) reacties en een Michael-additiereactie. Het product van deze laatste reactie is 4-nitro-3-fenylbutanal gevormd, dat een bouwsteen is voor het antidepressivum Phenibut (4-amino-3-fenylbutaanzuur). Verder is er een promiscue cis-trans-isomerisatie activiteit ontdekt. Karakterisatie van de verschillende activiteiten wees uit dat het N-terminaal proline residu inderdaad essentieel is voor al deze promiscue reacties en dat katalyse waarschijnlijk plaatsvindt via een enamine intermediair. Dit werk laat zien dat het screenen voor nieuwe promiscue reacties op basis van de unieke eigenschappen van een enzym (de aanwezigheid van een katalytisch N-terminaal proline met de reactiviteit om enamines te vormen met carbonylverbindingen) een krachtige strategie is om nieuwe, synthetisch relevante katalytische transformaties te vinden.